En sciences physiques, certaines quantités apparaissent comme des multiples entiers d'éléments fondamentaux et indivisibles. Cette quantification des grandeurs physiques, qui est au cœur de notre description de la nature, a traversé les siècles, comme en témoigne le concept antique de l'atome. Surtout, la découverte de quantités quantifiées a souvent été associée à une révolution dans notre compréhension et notre appréciation de la loi de la nature, un exemple frappant étant la quantification de la lumière en termes de photons, qui a conduit à notre description contemporaine (mécanique quantique) du monde microscopique.

Une équipe internationale dirigée par le Prof. Nathan Goldman, Faculté des sciences, Université libre de Bruxelles, prédit une nouvelle forme de loi de quantification, ce qui implique un type distinct d'observable physique :la vitesse de chauffage d'un système quantique lors d'une secousse externe. Pour comprendre ce concept, considérons d'abord une image analogue plus simple :lorsqu'un glaçon est placé dans un four à micro-ondes, ce dernier excite les molécules d'eau, entraînant ainsi une fonte progressive de la glace; pendant ce processus de chauffage, le nombre de molécules qui forment la glace diminue avec le temps, un processus qui peut être quantifié par une vitesse de chauffage. Dans le présent article, les auteurs montrent comment, dans des circonstances particulières, de telles vitesses de chauffe doivent satisfaire une loi de quantification élégante et précise. Spécifiquement, les auteurs expliquent que ce phénomène se produit lorsqu'un système physique, qui forme initialement un état exotique de la matière (une phase topologique), est chauffé de manière contrôlée ; lors du chauffage, les particules sont éjectées de la phase topologique (en analogie directe avec la fonte de la glace décrite ci-dessus) et la vitesse de chauffage correspondante satisfait à la loi de quantification susmentionnée.

Un aspect crucial de cette nouvelle loi de quantification est qu'elle est dictée par la nature topologique de la phase initiale du système, en analogie directe avec la quantification de la conductance dans les solides. Pour comprendre cette analogie, nous rappelons que la conductance, qui détermine l'efficacité avec laquelle les courants électriques sont générés dans un matériau, peut être quantifié en termes de « quantum de conductance » ; c'est la signature de l'effet Hall quantique, qui a été célébrée par deux prix Nobel, en 1985 et en 1998. De manière assez surprenante, cette quantification de la conductance s'est avérée profondément liée à un concept mathématique fondamental :la topologie. En bref, la topologie vise à classer les objets géométriques selon leurs caractéristiques les plus élémentaires, par exemple, leur nombre de trous ou d'enroulement. Cette relation élégante entre la quantification physique de la conductance et le concept abstrait de topologie a ouvert la porte à l'exploration d'une large famille d'états exotiques de la matière, les phases dites topologiques, dont la découverte a récemment été honorée par le prix Nobel de physique 2016. La découverte rapportée par l'équipe internationale dirigée par le professeur Goldman offre ainsi une nouvelle perspective sur les liens intrigants entre les lois de quantification en physique et la topologie.

Outre l'élégance de cette nouvelle loi de quantification des vitesses de chauffe, cette découverte a un corollaire important :chauffer un système quantique peut être utilisé comme sonde universelle pour des états exotiques de la matière. Les auteurs proposent une plate-forme physique particulièrement bien adaptée à sa réalisation expérimentale :un gaz ultrafroid d'atomes piégés dans un réseau optique (un paysage périodique créé par la lumière). De telles configurations sont connues pour constituer une boîte à outils idéale pour l'ingénierie quantique de la matière topologique, mais aussi, pour la mise en œuvre de nouveaux types de mesures. En pratique, l'expérience proposée consisterait à préparer une phase topologique, en chargeant un gaz ultrafroid dans un réseau optique, et en secouant ensuite ce treillis d'une manière circulaire; les vitesses de chauffe résultantes seraient ensuite extraites en mesurant le nombre d'atomes restés dans la phase topologique après une certaine durée d'agitation.